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Exercice 2.20. Soient Hun espace de Hilbert et F,Gdeux sous-espaces vectoriels.
Montrer que F⊥∩G⊥= (F+G)⊥et que (F∩G)⊥=F⊥+G⊥.
Exercice 2.21. Soit Hun espace de Hilbert et T∈ L(H). Montrer que (Im T)⊥= ker T∗
et (Im T∗)⊥= ker T.
Exercice 2.22. Soit Hun espace de Hilbert, et a, b ∈ L(H). Montrer que ka(x)k ≤ kb(x)k
pour tout xsi et seulement s’il existe c∈ L(H) tel que kck ≤ 1 et a=c◦b.
Exercice 2.23. Soit Hun espace de Hilbert s´eparable. On consid`ere deux bases Hilberti-
ennes (ei) et (fj). On dit qu’un op´erateur T∈ L(H) est de Hilbert-Schmidt si Pi,j |ha(ei), fji|2
converge. On note provisoirement kak2
e,f cette somme.
Montrer que kake,f ne d´epend pas de la base Hilbertienne f, et que kake,f =ka∗kf,e.
En d´eduire que kake,f ne d´epend pas de e. On note kakHS =kake,f .
Montrer que l’ensemble des op´erateurs de Hilbert-Schmidt, not´e HS, est un espace
vectoriel pour lequel kakHS est une norme. Montrer que HS est un espace de Hilbert.
Montrer que kabkHS ≤ kak kbkHS pour tout a∈ L(H) et b∈HS.
Exercice 2.24. (espaces de Sobolev) Soit Hm(R) l’ensemble des f∈L2(R) tels que
ξ7→ |ξ|mˆ
f(ξ) appartienne `a L2(R). Montrer que Hm(R), muni de la norme kfkHm=
kξ7→ (1 + |ξ|m)ˆ
f(ξ)kL2, est un espace de Hilbert.
Montrer que si fest mfois d´erivable, alors f∈Hm(R) si et seulement si f,f0, . . . , f(m)
appartiennent `a L2(R).
Montrer qu’il existe une et une seule application continue Dmde Hs+m(R) dans Hs(R)
telle que pour toute fonction fde classe Cm`a support compact on ait Dm(f) = f(m).
Montrer que 1 −D2est un isomorphisme de Hs+2 sur Hs
Exercice 2.25. (Espaces de Sobolev II) Soit I=]0,1[. On note H1(I) l’espace des fonc-
tions fde [0,1] dans Rtelles qu’il existe f0∈L2(I) v´erifiant f(x) = Rx
0f0(t)dt+constante
(on peut d´emontrer que f0est uniquement d´etermin´ee). Montrer que fest n´ecessairement
continue. On note alors H1
0(I) l’espace des f∈H1(I) v´erifiant f(0) = f(1) = 0 et on le
munit de la norme kfk2
H1
0
=kfk2
2+kf0k2
2. Montrer que H1
0(I) est un espace de Hilbert.
Exercice 2.26. (Lax-Milgram) Soit Hun espace de Hilbert r´eel. Soit ϕ:H×H→R
une application bilin´eaire continue. Montrer qu’il existe T∈ L(H) v´erifiant ϕ(x, y) =
hx, T (y)i.
On suppose de plus que ϕ(x, x)≥αkxk2pour tout x∈H, o`u αest une constante
>0 (on dit que ϕest coercive). En utilisant l’exercice 2.15, montrer que l’image de Test
ferm´ee. Montrer ensuite que l’image de Test dense.
Montrer alors le th´eor`eme de Lax-Milgram: soit ϕ:H×H→Rune application
bilin´eaire continue et coercive. Soit g∈ L(H, R). Alors il existe a∈Hunique tel que
g(x) = ϕ(x, a) pour tout x∈H.
Exercice 2.27. Soit Hun espace de Hilbert et a∈ L(H). Supposons a=a∗. On dit
que a≥0 si ha(x), xi ≥ 0 pour tout x. Pour tous a, b autoadjoints, on dit que a≤b
si b−a≥0. Montrer que ≤est une relation d’ordre (non totale) sur l’ensemble des
op´erateurs autoadjoints.
Exercice 2.28. Montrer que tout op´erateur T∈ L(H) sur un espace de Hilbert est
combinaison lin´eaire de 4 op´erateurs positifs. On remarquera d’abord que T=T+T∗
2+
iT−T∗
2iest combinaison lin´eaire de 2 op´erateurs autoadjoints.
Exercice 2.29. Soit Hun espace de Hilbert. On dit que uest une isom´etrie partielle de
Hs’il existe un sous-espace Vtel que u=w◦pV, o`u pVest la projection orthogonale sur
Vet w:V→Hest une isom´etrie.
Montrer l’´equivalence entre: